Nobel z fizyki w 2017 roku powędrował do odkrywców fal grawitacyjnych

Laureatami prestiżowej nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2017 roku został Rainer Weiss, Kip S. Thorne oraz Barry C. Barish. Podobnie jak wielu innych laureatów, nagrodzeni zostali oni za udowodnienie, że istniejące dotychczas tylko w ludzkich umysłach teorie mają potwierdzenie w naturze. Tym razem przedmiotem badań, które doprowadziły do wielkiego odkrycia czy też obserwacji, były fale grawitacyjne.

Ich istnienie przewidział (choć z dużą dawką sceptycyzmu) już Albert Einstein, uczono o nich w szkołach wyższych, ale dotychczas mogliśmy jedynie teoretyzować na ich temat lub wnioskować na podstawie pośrednich danych. Teraz gdy jesteśmy w stanie wykrywać bezpośrednie sygnały wywołane przez fale grawitacyjne, stajemy przed szansą weryfikacji wielu teorii astrofizycznych i w obliczu nowej ery nauki.

Odkrycie pierwszego sygnału wywołanego przez fale grawitacyjne to owoc wieloletnich prac, które doprowadziły do powstania superczułego interferometru LIGO. Urządzenia mierzącego zakłóceń struktury czasoprzestrzeni wywoływanych przez fale grawitacyjne.

Jednak fale grawitacyjne są bardzo słabe. Dlatego trzeba było najpierw nauczyć się izolować wszelkie źródła zakłóceń, zbudować odpowiednio duży i czuły instrument, a potem mieć nadzieję, że gdzieś tam w kosmosie zdarzy się coś co wzbudzi na tyle silne fale grawitacyjne, byśmy mogli je tutaj na ziemi zaobserwować.

Tym czymś jest zderzenie dwóch masywnych czarnych dziur, które miało miejsce 1,3 miliarda lat temu. Zakłóciło ono strukturę czasoprzestrzeni, a powstałe wtedy fale grawitacyjne dotarły do Ziemi i zostały po raz pierwszy zaobserwowane 14 wrześnie 2015 roku (ogłoszono to dopiero 11 lutego 2016 roku). Nagroda przyszła bardzo szybko po odkryciu, ale laureaci już na początku lat 70. XX wieku byli przekonani, że odkrycie nastąpi prędzej czy później.

Nagrodę podzielono w różnych proporcjach. Największy udział, bo w 1/2 ma Rainer Weiss, dwaj pozostali Kip S. Thorne i Barry C. Barish dzielą pomiędzy siebie resztę nagrody. Oficjalnym argumentem za przyznaniem nagrody jest „kluczowy wkład w powstanie detektora LIGO i wykrycie fal grawitacyjnych”. My po cichu liczyliśmy, że do tego grona dołączy prof. Andrzej Trautmann, który jako jeden z pierwszych nie tylko postulował, ale wręcz uważał istnienie fal grawitacyjnych za coś oczywistego.

LIGO czyli Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory to urządzenie, którego pierwsza koncepcja powstała około 50 lat temu. W czasach gdy tylko jak to można określić szaleńcy wierzyli w istnienie fal grawitacyjnych i czarnych dziur. Być może odkrycie dokonane zostało wcześniej, być może były to fałszywy alarm, ale już w latach 70. XX wieku Joseph Weber twierdził, że zaobserwował sygnał związany z detekcją fal grawitacyjnych.

Każdy student fizyki zaczyna swoją edukację od zaznajomienia się z zasadami przeprowadzania pomiarów. Ta wiedza często zostaje zapomniana w późniejszej karierze naukowej (jeśli do takiej dojdzie), ale Reiner Weiss zdawał sobie dobrze sprawę, że pomiar, który ma być uznany za prawdziwy musi być pozbawiony jakichkolwiek zakłóceń. W tym celu opracował laserowy interferometr, całkowicie odmienną konstrukcję od bazującego na zasadzie kamertonu detektora Webera.

Przez długie lata cały wóz pod nazwą detektor fal grawitacyjnych pchało do przodu trio Rainer Weiss, Kip S. Thorne i Ronald Drever. Ten ostatni niestety zmarł w marcu tego roku. Z kolei Barry C. Barish dołączył do ekipy w 1994 roku.

Detektor LIGO przy wsparciu NSF rozpoczął prace już w 2002 roku. Czujniki, choć trudno tak mówić o aparaturze, która ma kilkukilometrowe rozmiary, znajdują się w Livingston na południu USA i w Hanford 3 tysiące kilometrów na północny zachód.

Pierwsza faza eksperymentu LIGO potwierdziła największe obawy. Sygnał, którego poszukiwany nie pojawił się, bo aparatura miała za małą czułość. Rozpoczęto kilkuletnie prace modernizacyjne, które zwiększyły dokładność pomiaru dziesięciokrotnie. Dziś interferometry LIGO dysponują najprecyzyjniejszą aparaturą na świecie, która jest w stanie wykryć zniekształcenia czasoprzestrzeni.

Niejeden obserwator dałby wiele, by tuż po uruchomieniu sprzętu pomiarowego pojawił się ten epokowy sygnał. Tak właśnie stało się w przypadku LIGO. Tuż po zakończeniu modernizacji i uruchomieniu detektora, 14 września 2015 roku zaobserwowano wzorcowy sygnał w Livingston, a 7 milisekund później podobny pomiar dokonała aparatura w Hanford. Potem obserwowano jeszcze dwa inne zjawiska, a jedno z nich z 14 sierpnia 2017 roku jest pierwszym zarejestrowanym we współpracy z europejskim odpowiednikiem LIGO - projektem VIRGO.

Zakłócenia czasoprzestrzeni wywoływane przez fale grawitacyjne manifestują się z zmianie wzajemnego położenia obiektów. Jednak te zmiany są tak słabe, że do pomiaru należało wykorzystać zjawisko interferencji.

Detektor LIGO składa się z dwóch prostopadłych ramion o długości 4 km. Na końcach każdego z nich umieszczone są lustra, których pozycja jest bardzo dokładnie monitorowana. Do układu wprowadzana jest wiązka światła laserowego, która po rozdzieleniu porusza się niezależnie w każdym z ramion. Następnie powracający po odbiciu się od luster sygnał jest poddawany interferencji.

Gdy nic się nie dzieje, czyli w pobliżu detektora nie ma fal grawitacyjnych, interferencja prowadzi do wyzerowania się sygnału. Gdy jednak pojawią się fale grawitacyjne, wpłyną one na wzajemne położenie luster co zmieni długość ramion i sprawi, że interferencja obu wiązek da wynik różny od zera, a ten zostanie zarejestrowany przez detektor.

Brzmi to banalnie, a jednak zbudowanie odpowiednio czułego detektora, umieszczonego w jednej z najlepszych komór próżniowych na Ziemi, zajęło kilkadziesiąt lat. To dowód na to, że niejeden astronomiczny fenomen umyka obserwacjom właśnie ze względu na niedoskonałą aparaturę.

Zarejestrowane w 2015 roku fale grawitacyjne pozwoliły naukowcom określić własności układu podwójnego, w którym doszło do zderzenia się czarnych dziur. Miały one masę 29 i 36 razy większą niż Słońce, ale ich rozmiary nie przekraczały 200 km w przypadku każdej z nich. Po zderzeniu powstała pojedyncza czarna dziura o masie 62 razy większej niż Słońce, a to oznacza, że aż 3 masy Słońca zostały wyemitowane w przestrzeń kosmiczną w postaci energii zawartej w falach grawitacyjnych.

Obiekt GW 150914 czyli tenże układ czarnych dziur przez chwilę był najsilniej świecącym obiektem w znanym nam Wszechświecie. Gdyby takie zjawisko miało miejsce w naszej galaktyce, nasz los byłby prawdopodobnie przesądzony.

Dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych ma tak duże znaczenie. Wiedza jaką czerpiemy o otaczającym nas Kosmosie płynie z analizy docierających do nas fal elektromagnetycznych, analizy wiązek cząstek, wiązek strumieni neutrin i promieni kosmicznych. Fale grawitacyjne są niejako kolejnym zmysłem, który pozwala nam lepiej zrozumieć Wszechświat.

Czasoprzestrzeń nieustannie wibruje, a my właśnie usłyszeliśmy tę pieśń. Poniżej opowieść o tym czym są fale grawitacyjne (z angielskimi napisami).

Źródło: nobelprize.org, LIGO